UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS BIOQUÍMICA CLÍNICA QUÍMICA GENERAL I ESTRUCTURA ATÓMICA NOMBRE: Juan NOMBRE: Juan Carlos Martínez
Estructura atómica- Descubrimiento de las partículas fundamentales del átomo
EXPERIMENTO DE THOMSON A: Haz de electrones influenciado por un campo magnético externo
Placa carga negativa
Bomba de vacío
10-4 mmHg
Ánodo
C: Haz C: Haz de electrones influenciado por un campo eléctrico
Cátodo
Bl B: Haz B: Haz de electrones cuando el campo eléctrico y el campo magnético están equilibrados B': B': Haz de electrones sin influencia de campo eléctrico y magnético
Tubo de vacío o de Crookes Pantalla fluorescente Fuente de alto voltaje
104 V Electroimán
H= Campo magnético
Placa carga positiva
E= Campo eléctrico
El cátodo emite un rayo invisible, este rayo catódico se dirige hacia el ánodo que pasa por una perforación y continua su trayectoria hasta el otro extremo del tubo. Cuando dicho rayo alcanza la superficie, recubierta de una manera especial produce una fuerte fluorescencia en los puntos A, B, C y B' CONDICIONES DEL EQUIPO -Voltaje: 104 voltios aproximadamente. - Presión: 10-3 mmHg (conductancia mmHg (conductancia
eléctrica, gas residual se torna luminoso)
10-4 mmHg (persiste mmHg (persiste conductancia eléctrica, luminosidad del gas desaparece)
CONDICIONES DEL EXPERIMENTO -Igualación de los campos magnético y eléctrico externos (H=E)
APORTES - Rayos Catódicos. -Descubrimiento del electrón. --
-Presión al vacío
Determinó la relación de carga sobre masa del electrón (-1.76x108 C/g)
-No influye el gas residual que se utilice
-Modelo atómico: Pudín de pasas
Debido a que los rayos catódicos son atraídos por la placa con carga positiva y repelidos por la placa con carga negativa, deben consistir en partículas con carga negativa. Actualmente, estas partículas con carga negativa se conocen como electrones.
EXPERIMENTO DE GOLDSTEIN
Goldstein llevó a cabo experimentos de descarga en gases con cátodos perforados, encontró que se formaban electrones que se desplazan hacia el ánodo como de costumbre también se formaban iones positivos que salían disparados en dirección opuesta al cátodo. A estas partículas las denomino Rayos canales los cuales viajan en sentido contrario a los rayos catódicos y son partículas de carga positiva.
CONDICIONES DEL EQUIPO -Invirtió la posición del cátodo y el ánodo. -Perforó el cátodo. - Voltaje: 104 voltios aproximadamente. - Presión: 10-3 a 10-4 mmHg
CONDICIONES DEL EXPERIMENTO
APORTES
-Presión al vacío.
- Descubrimiento de los rayos Canales.
-Influye el gas residual que se utilice.
-Descubrimiento del protón (p+). -Relación de carga sobre masa del protón (9.57x104 C/g).
EXPERIMENTO DE MILLIKAN
Micro gotas de aceite
Micrómetro
Cilindro metálico
Si la fuerza de atracción de la Tierra (el peso) de la gota era mayor que la de repulsión eléctrica, la gota seguía cayendo, aunque a menor velocidad. Si la fuerza de repulsión eléctrica era mayor que el peso, la gota de aceite invertía el sentido de su movimiento y subía. Si ambas fuerzas se igualaban la gota permanecía suspendida en el aire.
Millikan llevó a cabo una serie de experimentos para medir la carga del electrón con gran precisión. En su experimento, Millikan analizó el movimiento de micro gotas de aceite que adquirían carga estática a partir de los iones del aire (para obtener gotitas cargadas se irradia el aire del interior con rayos X). Suspendía en el aire las micro gotas cargadas mediante la aplicación de un campo eléctrico y seguía su movimiento con un microscopio.
CONDICIONES DEL EQUIPO
-Utilización de placas eléctricas.
CONDICIONES DEL EXPERIMENTO
APORTES
-Igualación de la fuerza eléctrica con la fuerza de la gravedad.
-Determinó la carga de la gota de aceite.
(FE = Fg)
- Voltaje variable.
-Condiciones normales de presión.
-Irradiación del aire con rayos X.
- Determinar la viscosidad, densidad y volumen de cada gota.
-Posteriormente identificó un factor común y determinó la carga del electrón ( –1.6022 × 10-19 C) -Calculó la masa del electrón (9.10x10-28 g)
EXPERIMENTO DE LA RADIACTIVIDAD
Tres tipos de rayos emitidos por elementos radiactivos.
Placa carga negativa
Rayos α: partículas con carga positiva, desviadas levemente hacia el polo (-) Rayos γ: no tienen carga alguna, su trayectoria no se ve alterada por un campo eléctrico externo.
Rayos β: partículas con carga negativa (e-) desviadas levemente hacia el polo (+)
Características: Partícula alfa Placa carga positiva
-Carga positiva -Muy energética (4-7 MeV)
Wilhelm Röntgen
-Muy lenta (200000 km/h)
Observó que cuando los rayos catódicos incidían sobre el vidrio y los metales, hacían que éstos emitieran unos rayos desconocidos muy energéticos. Debido a que estos rayos no eran desviados de su trayectoria por un imán, no podían contener partículas con carga, como los rayos catódicos. Röntgen les dio el nombre de rayos X
-Formado por dos protones y dos neutrones -No afecta de forma interna, penetra unas micras en la piel.
Partícula beta -Flujo de electrones parecido a rayos catódicos -Energía (0-7 MeV) -Su velocidad casi igual a la luz (250000km/h) -Penetra en el tejido, unos cuanto milímetros
Rayos gamma -Eléctricamente neutros -Altamente energéticos (0,1 a 3 MeV)
-Velocidad de 300000 km/h
Antoine Becquerel Estudió las propiedades fluorescentes de las sustancias (compuestos de uranio). Al igual que los rayos X, los rayos provenientes de los compuestos de uranio resultaban altamente energéticos y no los desviaba un imán, pero diferían de los rayos X en que se emitían de manera espontánea. Marie Curie
- Afectan de forma interna
APORTES -Descubrimiento de los rayos X -Descubrimiento de los rayos alfa ( α), beta β y gamma (γ). -Descubrimiento de la radiactividad de diferentes elementos como el uranio.
Discípula de Becquerel, sugirió el nombre de radiactividad para describir esta emisión espontánea de partículas o radiación. Desde entonces se dice que un elemento es radiactivo si emite radiación de manera espontánea. También realizó investigaciones sobre los elementos radiactivos radio y polonio.
EXPERIMENTO DE RUTHERFORD
Partículas alfa α
Algunas partículas alfa eran desviadas de su trayectoria (aproximada mente 1 de cada 10000) Pantalla de detección de Sulfuro de zinc.
Cámara de plomo
Átomos de oro
Núcleo de oro
Rutherford comprobó que el modelo propuesto por Thomson era erróneo, cuando concluyó el siguiente experimento que consistía en bombardear una lámina o película de cierta sustancia (Rutherford utilizó oro) con partículas provenientes de una fuente radioactiva (partículas alfa ). Y determinar la desviación que sufrían tales partículas.
OBSERVACIONES DEL EXPERIMENTO
APORTES
La desviación, penetración o rebote de partículas es detectada por una pantalla con sulfuro de zinc, que produce pequeños destellos al chocar contra la pantalla tales partículas.
-La carga del protón es igual a la del e -, pero la del protón es positiva. (1.6022 × 10 -19 C). -Masa del protón: 1.67262 × 10 -24 g, aproximadamente 1 840 veces la masa del econ carga opuesta.
Observaron que la mayoría de las partículas atravesaban la lámina sin desviarse, o bien con una ligera desviación. De cuando en cuando,
-Demostró que la mayor parte del átomo es vacío.
algunas
-Propuso la existencia del núcleo
partículas
α
eran
dispersadas
(o
desviadas) de su trayectoria con un gran ángulo.
-Las cargas positivas (p+) se encuentran en el núcleo y las cargas negativas (e -) alrededor del átomo.
CONDICIONES DEL EXPERIMENTO
-Calculó que el tamaño del núcleo es 100000 veces más pequeña el tamaño del átomo.
-Lámina de oro (Au)
-Nuevo modelo atómico:
-Fuente radiactiva (polonio), emisor de partículas de helio (α)
EXPERIMENTO DE CHADWICK
Fuente radiactiva
Lámina de berilio Chadwick bombardeo una delgada lámina de berilio con partículas alfa, el metal emitió una radiación de muy alta energía, similar a la de los rayos gamma.
Experimentos posteriores demostraron que esos rayos en realidad constan de un tercer tipo de partículas subatómicas, que Chadwick llamó neutrones, debido a que se demostró que eran partículas eléctricamente neutras con una masa ligeramente mayor que la masa de los protones.
Los átomos de helio se adentran en la lámina de berilio produciendo una radiación de muy alta energía y provocando una reacción que transforma el núcleo de berilio en carbono y des rende un neutrón. La ecuación anterior señala que los neutrones eran un nuevo tipo de partículas fundamentales que se encontraban en el núcleo del átomo.
CONDICIONES DEL EXPERIMENTO -Lámina de Berilo (Be) -Fuente radiactiva
El descubrimiento del neutrón, justifica la existencia de los isótopos que eran átomos de un mismo elemento, con diferente masa, debido al diferente número de neutrones que poseen en el núcleo.
APORTES -Descubrimiento del neutrón -Masa del neutrón: 1.67493x10-24g -Carga del neutrón: nula (0)
EXPERIMENTO DE ASTON
No. de haces = No. de isótopos
Una muestra gaseosa se bombardea con un haz de electrones de alta energía, las colisiones entre electrones producen iones positivos que se aceleran al pasar por dos placas aceleradoras opuestas. Los iones acelerados son desviados, por un imán, en una trayectoria circular.
El radio de la trayectoria depende de la relación que exista entre la carga y la masa. - Iones con menor relación c/m describen una curva con mayor radio.
CONDICIONES DEL EQUIPO - Voltaje: 104 voltios -Presión: 10-4 mmHg
< c/m > R
- Iones con mayor relación c/m describen una curva con menor radio.
APORTES
>c/m < R
-Desarrollo del espectrómetro de masas.
La masa de cada ion se determina por la magnitud de su desviación.
-Método para determinar masas atómicas y moleculares (espectrometría de masas)
Haces de iones de distinta relación carga/masa llegarán a puntos diferentes de un detector, y, en función de la intensidad de las señales que dejan, se determina la abundancia relativa de cada tipo.
-Descubrimiento de isótopos. -Descubrió un gran número de isótopos no radioactivos (no menos de 212 de los 287 isótopos naturales).
TEORÍA CUÁNTICA Y LA ESTRCUTURA ELECTRÓNICA DE LOS ÁTOMOS
PROPIEDADES DE LAS ONDAS Una onda es una alteración vibrátil en la cual se trasmite energía.
P R O P I E D A D E S
Longitud de onda (lambda λ), longitud entre puntos iguales de ondas sucesivas. Frecuencia ( ), número de onda que pasan por un punto en particular en un segundo. Amplitud, Longitud de la vertical de la línea media en una onda a su valle. Rapidez, dependiente del tipo de onda y del medio en el que viaja:
RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Es la emisión y transmisión de energía en forma de ondas electromagnéticas. Poseen la misma frecuencia y longitud de onda por lo que su rapidez será la misma, sin embargo viajan en planos perpendiculares entre sí.
James Maxwell propuso que la luz visible se compone de ondas electromagnéticas, que tiene un componente de campo eléctrico y de campo magnético.
Las ondas viajan en el vacío a 3.00x10 8 metros por segundo, esta rapidez depende del medio en el que se encuentre.
TEORÍA CUÁNTICA DE PLANCK Cuando un cuerpo (sólidos) es calentado emite radiación electromagnética que abarca una amplia gama de longitudes de onda. Planck proponía que los átomos y las moléculas emitían (o absorbían) energía solo en cantidades discretas (cuantos). Según su criterio la energía estaba cuantizada (en múltiplos de hν). Donde: o o o o
E: Energía de un cuanto h: Constante de Planck ν: Frecuencia de radiación c: Velocidad de la luz
Se denominó cuanto a la mínima energía que se podía emitir (o absorber) en forma de radiación electromagnética.
APORTES
h= 6.627x10-34 J.s
-Teoría Cuántica, definición de cuanto
h = 6,62.10-27 erg.s c= 3.00x108 m/s
-Constante de Planck -Fórmulas desarrolladas
EL EFECTO FOTOELÉCTRICO (EISNTEIN) Fenómeno en el que los electrones son expulsados desde la superficie de ciertos metales que se han expuesto a la luz de al menos determinada frecuencia mínima (frecuencia umbral).
CONDICIONES DEL EXPERIMENTO Los electrones se mantienen unidos en el metal por fuerzas de atracción y, para emitirlos, se necesita una luz que tenga una frecuencia suficientemente alta.
Einstein dedujo que cada una de estas partículas de luz (fotones), debe poseer una energía E, de acuerdo con la ecuación:
Donde: o
ν: Frecuencia
de la luz
Con una luz de mayor frecuencia, los electrones no sólo serán emitidos, también adquirirán cierta energía cinética. Esto se resume en la siguiente ecuación Donde: o
o
KE: es la energía cinética del electrón emitido W: es la función del trabajo
Cuanto más energético sea el fotón, mayor será la energía cinética del electrón emitido. Cuanto más intensa sea la luz, mayor será el número de electrones emitidos por el metal de prueba. APORTES -Explicación del Efecto Fotoeléctrico -Fórmulas desarrolladas
TEORÍA DE BORH DEL ÁTOMO DE HIDRÓGENO (ESPECTROS DE EMISIÓN) a) El gas se encuentra en un tubo de descarga, al fluir los edel electrodo negativo al electrodo positivo, chocan con el gas. Este proceso de choque provoca la emisión de la luz. La luz emitida se separa en sus componentes por medio de un prisma. Cada componente de color se enfoca en una posición definida, de acuerdo con su longitud de onda. b) Espectro de emisión de líneas de los átomos de hidrógeno.
Bohr postuló que el electrón sólo puede ocupar ciertas órbitas de energías específicas. En otras palabras las energías del electrón están cuantizadas.
Espectros de emisión
Los postulados de Bohr son empíricos y solo se verifican sus consecuencias con hechos experimentales, como los espectros atómicos
Cada elemento tiene un espectro de emisión único.
Postulados de Bohr
Espectros continuos o líneas de radiación emitida por las sustancias
Si un átomo absorbe energía esta en un estado excitado en relación a su estado normal o fundamental al que trata de regresar devolviendo la energía recibida
Postulado I
Postulado III
Los electrones giran alrededor del núcleo por orbitas de radio determinado.
A medida que la órbita se aleja del núcleo, la energía va aumentando.
Energía cinética del e-
Energía del e- en una órbita dada
Postulado II
Postulado IV
No son permitidas todas las orbitas circulares para el electrón, solamente permiten aquellas que tienen el
Para que un e- pase de una órbita a otra debe haber absorción o emisión de energía.
momento angular múltiplo de h/2π.
Radio de una órbita
Energía de emisión (-)/ Energía de absorción (+)
Donde: o o o o o o o o
APORTES e: carga del er: radio de una órbita permitida n: determina las posibles energías del e A: constante (0.53 Å) B: constante (13.6eV) z: número atómico Rh: constante de Rydberg (2.18x10-18 J) ni - nf : número cuántico inicial y final
-Teoría del espectro de emisión del átomo de H. -Fórmulas desarrolladas - Orbitas y niveles de energía - Nuevo modelo atómico
NATURALEZA DUAL DEL ELECTRÓN Louis de Broglie propuso que la luz puede poseer propiedades de partícula y propiedades ondulatorias. λ
Es decir que las partículas podrían comportarse como ondas en determinadas circunstancias.
La circunferencia de la órbita es igual a un número entero de longitudes de onda
Una partícula ocupa un lugar en el espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula.
La relación entre la circunferencia de una órbita determinada (2πr) y la longitud de onda (λ) del
electrón está dada por:
Un electrón enlazado al núcleo se comporta como una onda estacionaria. Cada partícula lleva asociada una onda cuya longitud es:
Donde: o o
Como la energía del electrón depende del valor de r, se debe cuantizar.
o o o
r: radio de la órbita λ: es la longitud de onda asociada n = 1, 2, 3... m: masa de la partícula ν: velocidad de la partícula
Relación de las propiedades de partícula y onda
APORTES -Descubrimiento de la dualidad del electrón. -Ecuaciones desarrolladas
PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISENBERG
Para describir el problema que significa localizar una partícula subatómica que se comporta como onda
Werner Heisenberg formuló una teoría que ahora se conoce como principio de incertidumbre de Heisenberg. Que dice: Así:
“Es imposible conocer simultáneamente la
posición y la cantidad de movimiento de una partícula”
Siendo Δx la incertidumbre en la posición y Δp la incertidumbre en la cantidad de movimiento
La importancia de la ecuación es que incluso en las condiciones más favorables para medir la posición y el momento, el producto de las incertidumbres nunca puede ser menor que h/4π.
APORTES -Determinación de la posición y/o la cantidad de movimiento de una partícula. -Fórmula desarrollada
Si una de las variables se mide exactamente, el valor de la otra será incierto.
MODELO MECANICO-CUÁNTICA El modelo de Bohr indicaba posición y velocidad de los electrones (incompatible con principio de incertidumbre de la mecánica cuántica)
Schrödinger formuló una ecuación que describe el comportamiento y la energía de las partículas subatómicas en general
Postulados
-Los átomos sólo pueden existir en determinados niveles energéticos. -El cambio de nivel energético se produce por absorción o emisión de un fotón de energía de manera que su frecuencia viene determinada por: ΔE = h ν -Los niveles energéticos permitidos para un átomo vienen determinados por los valores de los números cuánticos.
En cuyas soluciones (valores energéticos permitidos) aparecían precisamente los números cuánticos n, l y m. APORTES -Determinación de partículas en los niveles de energía u orbitales con certeza. -Máxima probabilidad del encontrar al electrón en los orbitales. -Fórmula desarrollada
NÚMEROS CUÁNTICOS
Cada electrón viene determinado por 4 números cuánticos: n, l, m y s
Número cuántico principal (n) n: define la energía de un orbital n = 1, 2, 3, 4,... (nº de capa)
Los tres primeros determinan cada orbital, y el cuarto s sirve para diferenciar a cada uno de los dos electrones que componen el mismo.
Número cuántico del momento angular (l ) l:
expresa la forma de los orbitales
l:
0, 1, 2,... (n – 1) (tipo de orbital) s=0, p=1, d=2, f=3
Número cuántico de espín del electrón (ms)
Número cuántico magnético (m l )
ms: representa la rotación del electrón
ml : describe la orientación del orbital en el espacio
ms: +1/2, -1/2
ml : -1,……0,……+1 s=0; p=-1,0,1; d=-2,-1,0,1,2; f=-3,-2,-1,0,1,2,3
PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN DE PAULI
El principio de exclusión de Pauli es útil para determinar las configuraciones electrónicas de los átomos polielectrónicos.
Los 2 primeros diagramas son imposibles por el principio de exclusión de Pauli. El último diagrama es correcto
“No es posible que dos electrones de un
átomo tengan los mismos cuatro números cuánticos”.
Dos electrones en un mismo orbital deben de representarse con giros en sentidos contrarios
DIAMAGNETISMO Y PARAMAGNETISMO
Si el átomo de helio tuviera el mismo espín, o espines paralelos (↑↑ o ↓↓), sus campos
magnéticos netos se reforzarían mutuamente. Esta distribución haría del helio un gas paramagnético
Si los espines del electrón están apareados o son anti paralelos (↑↓ o ↓↑), los efectos magnéticos se cancelan y el átomo es diamagnético
Las sustancias paramagnéticas son aquellas que contienen espines no apareados y son atraídas por un imán
Las sustancias diamagnéticas no contienen espines no apareados y son repelidas ligeramente por un imán
REGLA DE HUND La regla de Hund, establece que la distribución electrónica más estable en los subniveles es la que tiene el mayor número de espines paralelos.
Cuando se llenan los orbitales de igual energía (un mismo subnivel) los electrones permanecen en lo posible sin aparear
Primero entrarán con el mismo Spin (+1/2) hasta que se llene la mitad del subnivel, y luego entran con Spin opuesto en forma ordenada (-1/2). Como corolario de la regla de Hund se tiene “que los subniveles d a medio llenar o
completamente llenos ofrecen mayor estabilidad”
BIBLIOGRAFIA o o o
CHANG, Raymond. (2010). Química. Décima Edición. México. McGraw-Hill/interamericana Editores, S.a. Bucheli, F. (2003). Fundamentos de Química 1. Ecuador, Quito: Ediciones Rodin Pontificia Universidad de Católica Chile [radiaciones]. Recuperado de: http://www7.uc.cl/sw_educ/qda1106/CAP2/2B/2B1/
